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MODELADO, SIMULACIÓN Y POTENCIAL DE SOSTENIBILIDAD DE 
PROCESOS QUE INVOLUCRAN SOLVENTES VERDES EN LA EXTRACCIÓN 
DE CELULOSA 
 
 
 
 
Por 
 
 
CÉSAR AUGUSTO VÁSQUEZ RUIZ 
 
 
 
Ingeniero Químico, Universidad de Antioquia, 2007 
 
 
 
 
 
TESIS 
 
 
 
Presentada en cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de 
 
 
MAESTRÍA EN INGENIERÍA 
 
 
 
 
 
Departamento de Ingeniería Química 
Facultad de Ingeniería 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA 
Medellín, Antioquia 
2014 
 
RESUMEN 
 
Los solventes verdes representan una de las opciones más atractivas en un 
sinnúmero de aplicaciones que van desde la catálisis homogénea y heterogénea 
hasta los procesos de separación avanzados. En este sentido, alternativas como 
los líquidos iónicos y los líquidos iónicos reversibles se han posicionado como 
tecnologías de gran interés en ciertos sectores de la química y de la síntesis de 
procesos donde se pretende revaluar el uso intensivo de solventes tradicionales. 
Este trabajo está encaminado a dilucidar el verdadero potencial de los líquidos 
iónicos como solventes en la síntesis de celulosa a partir de diversas biomasas. 
Para tal efecto, se realizó la selección de biomasas lignocelulósicas disponibles a 
nivel local con potencial para ser implementadas en proceso de obtención de 
celulosa. Se determinaron como las biomasas más adecuadas el aserrín de 
madera, los residuos de flores, la cascarilla de arroz y el bagazo de caña 
atendiendo a criterios como la disponibilidad a nivel local, el porcentaje de celulosa 
disponible y los usos actuales de las mismas. 
En este sentido, en el presente trabajo de investigación se presenta la síntesis de 
procesos para la obtención de celulosa a partir de las biomasas seleccionadas y 
empleando como solventes alternativos los líquidos iónicos: 1-butil-3-
metilimidazolium cloruro (BmimCl), el 1-etil-3-metilimidazolium acetato (EmimAoC) 
y el líquido iónico reversible 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene carboxylate 
[DBUH]+[RCO3]. Cada uno de los procesos sintetizados fueron simulados en el 
software ASPEN PLUS®. 
Una vez sintetizados los procesos, cada uno de ellos fue analizado a través de la 
metodología de estimación de potencial de sostenibilidad de procesos. Esta 
alternativa se fundamenta en la estimación del componente de rentabilidad 
económica, exergético y de impacto ambiental. Consecuentemente, fue posible 
determinar que los procesos acetosolv y residuos de flores son económicamente 
viables. Paralelamente, los proceso con aserrín de madera, bagazo de cala, 
cascarilla de arroz y líquido iónico reversible no se muestran como procesos 
económicamente viables. 
Respecto a la exergía destruida (XD), se logró determinar que el proceso con 
mayor exergía destruida fue el que empleó el líquido iónico reversible, mientras 
que el proceso con residuos de flores fue el de menor exergía destruida. Esto 
asociado con que cada uno de los procesos sintetizados posee diversas unidades 
de proceso y algunas de ellas presentan mayor consumo energético respecto a 
otros. 
La estimación de impactos ambientales permitió determinar que el proceso 
acetosolv presenta un considerable impacto negativo al ambiente representado en 
las contribuciones al calentamiento global, acidificación, toxicidad humana y 
oxidación fotoquímica. Los procesos sintetizados con líquidos iónicos emplearon 
bagazo de caña, aserrín de madera, cascarilla de arroz y residuos de flores. La 
comparación de los resultados de estimación de sostenibilidad permitieron 
determinar que el el proceso con residuos de flores en BmimCl presenta el mayor 
potencial de rentabilidad, una disminución notable en los impactos negativos al 
ambientales y energéticamente es el de menor exergía destruida. 
 
Palabras claves: líquidos iónicos, biomasa, celulosa, sostenibilidad y simulación. 
TABLA DE CONTENIDO 
RESUMEN -------------------------------------------------------------------------------------------- 2 
TABLA DE CONTENIDO ------------------------------------------------------------------------ 4 
LISTA DE FIGURAS --------------------------------------------------------------------------------- 7 
LISTA DE TABLAS -------------------------------------------------------------------------------- 10 
LISTA DE ANEXOS -------------------------------------------------------------------------------- 11 
ABREVIATURAS Y NOMENCLATURAS ------------------------------------------------------ 12 
AGRADECIMIENTOS ----------------------------------------------------------------------------- 15 
INTRODUCCIÓN ---------------------------------------------------------------------------------- 16 
1 CAPITULO 1: MARCO TEÓRICO --------------------------------------------------------- 17 
1.1 Aspectos generales de las biomasas ------------------------------------------------------------------------------- 17 
1.2 Generalidades de las biomasas -------------------------------------------------------------------------------------- 18 
1.2.1 Biomasa lignocelulósica -------------------------------------------------------------------------------------------- 18 
1.3 Disolución de celulosa ------------------------------------------------------------------------------------------------- 23 
1.3.1 Aspectos generales de los polímeros ---------------------------------------------------------------------------- 24 
1.3.2 Termodinámica de disolución de polímeros ------------------------------------------------------------------- 25 
1.4 Solubilidad de la celulosa --------------------------------------------------------------------------------------------- 28 
1.4.1 Comportamiento anfifílico de la celulosa ----------------------------------------------------------------------- 29 
1.5 Solventes de celulosa -------------------------------------------------------------------------------------------------- 30 
1.5.1 Solventes derivatizantes -------------------------------------------------------------------------------------------- 30 
1.5.2 Solventes no derivatizantes---------------------------------------------------------------------------------------- 31 
1.5.3 Solventes convencionales ------------------------------------------------------------------------------------------ 32 
1.5.4 Solventes Alternativos ---------------------------------------------------------------------------------------------- 36 
1.5.5 Sistemas órgano-acuosos intercambiables (OATS) ----------------------------------------------------------- 41 
1.6 Procesos de disolución de celulosa --------------------------------------------------------------------------------- 41 
1.6.1 Procesos químicos convencionales ------------------------------------------------------------------------------ 42 
1.6.2 Procesos Mecánicos ------------------------------------------------------------------------------------------------- 45 
1.6.3 Procesos semi-químicos -------------------------------------------------------------------------------------------- 45 
1.6.4 Procesos químico-mecánicos -------------------------------------------------------------------------------------- 46 
1.6.5 Procesos con solventes alternativos: solventes verdes ------------------------------------------------------ 46 
1.7 Productos derivados de la celulosa --------------------------------------------------------------------------------- 49 
1.7.1 Celulosa microcristalina (MCC)------------------------------------------------------------------------------------ 49 
1.7.2 Nanocelulosa (NC) --------------------------------------------------------------------------------------------------- 50 
1.7.3 Éteres de celulosa ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 50 
1.7.4 Ésteres de celulosa -------------------------------------------------------------------------------------------------- 52 
1.8 Mercado Mundial de la celulosa ------------------------------------------------------------------------------------52 
1.8.1 Mercado de pulpa de celulosa ------------------------------------------------------------------------------------ 52 
1.8.2 Mercado de celulosas especiales --------------------------------------------------------------------------------- 56 
1.9 Potencial de sostenibilidad en procesos de celulosa ----------------------------------------------------------- 56 
1.9.1 Exergía (X) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 58 
1.9.2 Potencial de rentabilidad o ganancias (∆ς) --------------------------------------------------------------------- 63 
1.9.3 Índices de impactos ambientales (Life Cycle Impact Assessment - LCIA) -------------------------------- 63 
2 CAPITULO 2: METODOLOGÍA ------------------------------------------------------------ 69 
2.1 Selección de las biomasas y residuos ------------------------------------------------------------------------------ 69 
2.1.1 Producción de residuos agrícolas y agroindustriales --------------------------------------------------------- 69 
2.1.2 Aprovechamiento actual de los residuos agroindustriales ------------------------------------------------- 71 
2.1.3 Selección de residuos o biomasas y potencial de producción de celulosa ------------------------------ 74 
2.2 Simulación de procesos para la obtención de celulosa -------------------------------------------------------- 76 
2.2.1 Introducción de biomasas y líquidos iónicos en ASPEN PLUS® --------------------------------------------- 77 
2.2.2 Síntesis y simulación de procesos en ASPEN PLUS®----------------------------------------------------------- 80 
2.3 Estimación de análisis de sostenibilidad ------------------------------------------------------------------------ 101 
2.3.1 Estimación de potencial de rentabilidad de proceso (∆ς): caso acetosolv ---------------------------- 101 
2.3.2 Estimación exergía química específicas (Xi
CH):caso acetosolv -------------------------------------------- 102 
2.3.3 Estimación de indicadores de impactos de análisis de ciclo de vida (Ei):caso acetosolv ----------- 107 
3 CAPITULO 3: RESULTADOS Y DISCUSIONES --------------------------------------- 109 
3.1 Resultados potencial de rentabilidad ---------------------------------------------------------------------------- 109 
3.2 Resultados exergía destruida -------------------------------------------------------------------------------------- 110 
3.3 Resultados indicadores de análisis de ciclo de vida ---------------------------------------------------------- 112 
3.4. Análisis de escenarios ideales ------------------------------------------------------------------------------------------ 115 
4 CONCLUSIONES --------------------------------------------------------------------------- 117 
5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ------------------------------------------------------ 119 
6 ANEXO 1 ------------------------------------------------------------------------------------ 127 
7 ANEXO 2 ------------------------------------------------------------------------------------ 131 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
FIGURA 1-1 ESTRUCTURA QUÍMICA DE LA CELULOSA. ----------------------------------------- 19 
FIGURA 1-2 ENLACE Β-1,4–O-GLUCOSÍDICO EN LA ESTRUCTURA DE LA CELULOSA. ------ 19 
FIGURA 1-3 ESTRUCTURA QUÍMICA DE LA HEMICELULOSA. ----------------------------------- 20 
FIGURA 1-4 ESTRUCTURA QUÍMICA DE LA LIGNINA. -------------------------------------------- 21 
FIGURA 1-5 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS IΑ Y IΒ 
DE LA CELULOSA. ------------------------------------------------------------------------------ 22 
FIGURA 1-6 CLASIFICACIÓN DE LOS SOLVENTES DE CELULOSA. ----------------------------- 32 
FIGURA 1-7 SISTEMA DE LÍQUIDOS IÓNICOS REVERSIBLES DE DOS COMPONENTES: 
REACCIÓN DEL DBU Y ALCOHOL EN PRESENCIA DE CO2 PARA FORMAR EL 
[DBUH]+[RCO3]-. R = C1 – C12. -------------------------------------------------------- 40 
FIGURA 1-8 SISTEMA DE LÍQUIDOS IÓNICOS REVERSIBLES DE DOS COMPONENTES: 
REACCIÓN DEL TMBG Y ALCOHOL EN PRESENCIA DE CO2 PARA FORMAR EL 
[TMBGH]+[RCO3]-. R = C1 – C12. ----------------------------------------------------- 40 
FIGURA 1-9 SISTEMA DE LÍQUIDOS IÓNICOS REVERSIBLES DE UN COMPONENTE: REACCIÓN 
DE LÍQUIDO MOLECULAR PARA FORMAR EN PRESENCIA DE CO2 SUS 
CORRESPONDIENTES LÍQUIDOS IÓNICOS TRIALKOXY Y TRIALKYL-SILYLPROPIL AMINA. R 
= GRUPO ALKYL O ALKOXY. ------------------------------------------------------------------ 41 
FIGURA 1-10 DIAGRAMA DE FLUJO GENERAL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A 
PARTIR DE BIOMASA EMPLEANDO LÍQUIDO IÓNICO. --------------------------------------- 47 
FIGURA 1-11 DIAGRAMA DE FLUJO GENERAL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A 
PARTIR DE BIOMASA EMPLEANDO LÍQUIDOS IÓNICOS REVERSIBLES. ------------------- 48 
FIGURA 1-12 PRODUCCIÓN DE PULPA DE CELULOSA EN EL MUNDO PARA EL AÑO 2010. 53 
FIGURA 1-13 PRODUCCIÓN DE FIBRA DE CELULOSA EN COLOMBIA PARA EL AÑO 2009. - 54 
FIGURA 1-14 IMPORTACIONES COLOMBIANAS DE PULPA DE CELULOSA OBTENIDA POR 
PROCESO MECÁNICO. ------------------------------------------------------------------------- 54 
FIGURA 1-15 IMPORTACIONES COLOMBIANAS DE PULPA DE CELULOSA SIN BLANQUEAR Y 
SEMI BLANQUEADA, OBTENIDA POR PROCESO QUÍMICO. --------------------------------- 55 
FIGURA 1-16 VARIACIÓN DE PRECIOS DE LA PULPA DE CLEULOSA EN COLOMBIA PARA EL 
PRIMER SEMESTRE DE LOS AÑOS 2013 Y 2014. ----------------------------------------- 55 
FIGURA 1-17 RELACIÓN ENTRE EFICIENCIA EXERGETICA, IMPACTO AMBIENTAL Y 
SOSTENIBILIDAD. ------------------------------------------------------------------------------ 60 
FIGURA 2-1 ESTRUCTURA JERÁRQUICA EMPLEADA PARA LA SELECCIÓN DE LOS RESIDUOS 
O BIOMASAS ESCOGIDAS PARA LA PRESENTE INVESTIGACIÓN (CASCARILLA DE ARROZ, 
RESIDUOS DE FLORES, ASERRÍN DE MADERA Y BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR). FUENTE: 
EL AUTOR. ------------------------------------------------------------------------------------- 76 
FIGURA 2-2 ENTORNO DE ASPEN PLUS® PARA LA INTRODUCCIÓN DE PROPIEDADES 
FÍSICAS NO DISPONIBLES EN LAS BASES DE DATOS. (A) CUADRO DE DIALOGO EN EL 
CUAL SE DEFINE LA SUSTANCIA (USER DEFINED). (B) VALORES DE CP (J/KMOL-K) DE 
LA CELULOSA Y LA LIGNINA INGRESADOS A PARTIR DE LA INFORMACIÓN DISPONIBLE EN 
NREL (WOOLEY & PUTSCHE, 1996). ----------------------------------------------------- 78 
FIGURA 2-3 ENTORNO DE ASPEN PLUS® V.8 PARA LA INTRODUCCIÓN DE PROPIEDADES 
FÍSICAS NO DISPONIBLES EN LAS BASES DE DATOS. (A) CUADRO DE DIALOGO DEL 
EDITOR DE ESTRUCTURAS QUÍMICAS. (B) INFORMACIÓN TERMODINÁMICA PARA CADA 
LÍQUIDO IÓNICO INTRODUCIDA POR EL AUTOR. -------------------------------------------- 79 
FIGURA 2-4 ENTORNO DE ASPEN PLUS® V.8 PARA LA DEFINICIÓN DE SERVICIOS 
(UTILITY) EN EQUIPOS DE PROCESOS. (A) CUADRO DE DIALOGO PARA LA 
ESPECIFICACIÓN DEL SERVICIO DE VAPOR DE CALDERA. (B) SELECCIÓN DE LA BASE DE 
DATOS DEL FACTOR DE EMISIÓN DE CO2. ------------------------------------------------- 81 
FIGURA 2-5 PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DE ASERRÍN DE MADERA 
EMPLEANDO EL MÉTODO ACETOSOLV (ORGANOSOLV). ADAPTADO DE: VILA AND 
PARAJO 2003. --------------------------------------------------------------------------------- 84 
FIGURA 2-5 -1 DETALLE DE LA ETAPA DE MEZCLA Y REACCIÓN DE BIOMASA EN EL 
PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DEL MÉTODO ACETOSOLV. 
PROCESO ADAPTADO DE (VILA & PARAJO, 2003). ------------------------------ 85 
FIGURA 2-5 -2 DETALLA DE LA ETAPA DE MEZCLA Y REACCIÓN DE BIOMASA EN EL 
PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DEL MÉTODO ACETOSOLV. 
PROCESO ADAPTADO DE (VILA & PARAJO, 2003). ------------------------------ 85 
FIGURA 2-6 PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DE CASCARILLA DE ARROZ 
DISUELTA EN EL LÍQUIDO IÓNICO EMIMAOC.----------------------------------------------- 87 
FIGURA 2-6 1 DETALLE DE LA ETAPA DE DISOLUCIÓN Y PURIFICACIÓN DE CELULOSA 
A PARTIR DE CASCARILLA DE ARROZ EN EMIMAOC. -----------------------------88 
FIGURA 2-6 -2 DETALLE DE LA ETAPA DE SEPARACIÓN, PURIFICACIÓN Y 
RECIRCULACIÓN DEL LÍQUIDO IÓNICO EMIMAOC. -------------------------------- 88 
FIGURA 2-7 PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DE RESIDUOS DE FLORES 
DISUELTO EN EL LÍQUIDO IÓNICO EMIMAOC. ---------------------------------------------- 90 
FIGURA 2-7- 1 DETALLE DE LA ETAPA DE DISOLUCIÓN Y PURIFICACIÓN DE 
CELULOSA A PARTIR DE LOS RESIDUOS DE FLORES EN EMIMAOC. ------------ 91 
FIGURA 2-7 -2 DETALLE DE LA ETAPA DE SEPARACIÓN, PURIFICACIÓN Y 
RECIRCULACIÓN DEL LÍQUIDO IÓNICO EMIMAOC. -------------------------------- 91 
FIGURA 2-8 PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DE ASERRÍN DE MADERA 
DILUIDO EN EL LÍQUIDO IÓNICO BMIMCL. --------------------------------------------------- 93 
FIGURA 2-8- 1 DETALLE DE LA ETAPA DE DISOLUCIÓN BIOMASA PARA LA 
OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DE ASERRÍN DE MADERA EN LÍQUIDO 
IÓNICO BMIMCL. ---------------------------------------------------------------------- 94 
FIGURA 2-8 -2 DETALLE DE LA ETAPA DE SEPARACIÓN, PURIFICACIÓN Y 
RECIRCULACIÓN DEL LÍQUIDO IÓNICO BMIMCL. ----------------------------------- 94 
FIGURA 2-9 PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DE BAGAZO DE CAÑA DE 
AZÚCAR MEDIANTE LA DISOLUCIÓN EN LÍQUIDO IÓNICO BMIMCL. ----------------------- 96 
FIGURA 2-9- 1 DETALLE DE LA ETAPA DE DISOLUCIÓN Y REACCIÓN DEL BAGAZO DE 
CAÑA DE AZÚCAR EN LÍQUIDO IÓNICO BMIMCL. ----------------------------------- 97 
FIGURA 2-9- 2 DETALLE DE LA ETAPA DE PURIFICACIÓN DE CELULOSA Y 
SEPARACIÓN Y RECIRCULACIÓN DEL LÍQUIDO IÓNICO BMIMCL. ----------------- 97 
FIGURA 2-10 PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA A PARTIR DE ASERRÍN DE MADERA 
MEDIANTE LA DISOLUCIÓN EN LÍQUIDO IÓNICO REVERSIBLE DBUH.-------------------- 99 
FIGURA 2-10- 1 DETALLE DE LA ETAPA DE DISOLUCIÓN Y REACCIÓN DEL ASERRÍN 
DE MADERA EN EL LÍQUIDO IÓNICO REVERSIBLE DBUH. ----------------------- 100 
FIGURA 2-10- 2 DETALLE DE LA ETAPA DE FORMACIÓN DEL LÍQUIDO IÓNICO 
REVERSIBLE DBUH A PARTIR DE LA REACCIÓN DE DBU CON BUTANOL EN 
PRESENCIA DE CO2. ---------------------------------------------------------------- 100 
FIGURA 2-11 ENTORNO DE ASPEN PLUS® V.8 CORRESPONDIENTE AL ―PROPERTY SETS‖ 
PARA PARA LA ESTIMACIÓN DE EXERGÍAS FÍSICAS. (A) CUADRO DE DIALOGO DONDE SE 
DEFINE LA SUSTANCIA, PROPIEDAD A EVALUAR, PRESIÓN Y TEMPERATURA. (B) 
CUADRO DE RESULTADOS EN ESTE CASO CORRESPONDIEN --------------------------- 104 
FIGURA 3-1 POTENCIAL DE RENTABILIDAD DE LOS PROCESOS SINTETIZADOS PARA LA 
OBTENCIÓN DE CELULOSA------------------------------------------------------------------- 109 
FIGURA 3-2 RESULTADOS DE EXERGÍA DESTRUIDA (XD) DE LOS PROCESOS SINTETIZADOS 
PARA LA OBTENCIÓN DE CELULOSA -------------------------------------------------------- 111 
FIGURA 3-3 POTENCIAL DE IMPACTOS PONDERADOS DE LCA DE LOS PROCESOS 
SINTETIZADOS PARA LA OBTENCIÓN DE CELULOSA -------------------------------------- 113 
FIGURA 3-4 POTENCIAL DE IMPACTOS PONDERADOS DE LCA DE LOS PROCESOS 
SINTETIZADOS PARA LA OBTENCIÓN DE CELULOSA. -------------------------------------- 114 
FIGURA 3-5 POTENCIAL DE RENTABILIDAD IDEAL PARA PROCESO CON COSTOS 
MINIMIZADOS DE LI Y DMSO. -------------------------------------------------------------- 115 
FIGURA 3-6 POTENCIAL DE RENTABILIDAD IDEAL PARA PROCESOS CON FLUJOS DE 
REPOSICIÓN DE LI Y DMSO MINIMIZADOS ------------------------------------------------ 116 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABLAS 
TABLA 1.1 PARÁMETROS DE SOLUBILIDAD DE HANSEN Y DE HILDEBRAND ----------------- 28 
TABLA 1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS SOLVENTES DE CELULOSA-------------------------------- 30 
TABLA 1.3 PRODUCTOS INTERMEDIOS OBTENIDOS DURANTE LA DISOLUCIÓN CON 
SOLVENTES REACTIVOS (GRANSTRÖM 2009). -------------------------------------------- 33 
TABLA 1.4 . SISTEMAS ACUOSOS PARA DISOLUCIÓN HOMOGÉNEA DE CELULOSA (HEINZE 
AND KOSCHELLA 2005) ---------------------------------------------------------------------- 34 
TABLA 1.5 SISTEMAS NO ACUOSOS PARA DISOLUCIÓN HOMOGÉNEA DE CELULOSA (HEINZE 
AND KOSCHELLA 2005) ---------------------------------------------------------------------- 35 
TABLA 1.6 PRINCIPALES LÍQUIDOS IÓNICOS CON MAYOR POTENCIAL PARA DISOLVER 
CELULOSA MÄKI-ARVELA ET AL. 2010 ----------------------------------------------------- 38 
TABLA 1.7 COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS DE LÍQUIDOS IÓNICOS REVERSIBLES DE UNO 
(1) Y DOS (2) COMPONENTES POLLET, ECKERT, AND LIOTTA 2011. ------------------ 49 
TABLA 1.8 PRECIOS DE ALGUNAS CELULOSAS ESPECIALES. --------------------------------- 56 
TABLA 2.1 PRINCIPALES PRODUCTOS Y RESIDUOS AGRÍCOLAS Y AGROINDUSTRIALES EN 
COLOMBIA ------------------------------------------------------------------------------------- 70 
TABLA 2.2 COMPOSICIÓN DE RESIDUOS AGRÍCOLAS Y AGROINDUSTRIALES ---------------- 71 
TABLA 2.3 RESIDUOS OBTENIDOS EN EL BENEFICIO DE CAFÉ CEREZA ---------------------- 73 
TABLA 2.4 CANTIDAD DE CELULOSA BRUTA APROVECHABLE EN FUNCIÓN DEL TIPO DE 
RESIDUO AGROINDUSTRIAL. FUENTE: ∆(ESCALANTE HERNÁNDEZ ET AL. 2008), * EL 
AUTOR ------------------------------------------------------------------------------------------ 75 
TABLA 2.5 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS LÍQUIDOS IÓNICOS BMIMCL, EMIMAOC Y DBUH
 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 79 
TABLA 2.6 FLUJOS MÁSICOS DE MATERIAS PRIMAS POR KG DE CELULOSA PRODUCIDA. 
PROCESO ACETOSOLV ---------------------------------------------------------------------- 101 
TABLA 2.7 COSTOS DE MATERIAS PRIMAS ASOCIADOS AL PROCESO ACETOSOLV -------- 102 
TABLA 2.8 EXERGÍAS QUÍMICAS ESTÁNDAR PARA LOS GRUPOS FUNCIONALES DEL BMIMCL
 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 103 
TABLA 2.9 EXERGÍAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y DE FLUJO DE LAS CORRIENTES DE MATERIA 
ASOCIADOS AL MOLINO (CRUSHER), BOMBA 1 (P-1) Y MEZCLADOR 1 (MIX-1) EN EL 
PROCESO ACETOSOLV. ---------------------------------------------------------------------- 106 
TABLA 2.10 CAMBIO EN LA EXERGÍA (∆X) Y EXERGÍA DESTRUIDA (XD) PARA EL MOLINO 
(CRUSHER), LA BOMBA 1 (P-1) Y EL MEZCLADOR 1 (MIX-1) EN EL PROCESO 
ACETOSOLV ----------------------------------------------------------------------------------- 107 
TABLA 3.1 RESULTADOS PONDERADOS DEL POTENCIAL DE IMPACTO DE LCA PARA LOS 
PROCESOS SINTETIZADOS------------------------------------------------------------------- 112 
LISTA DE ANEXOS 
 
TABLA A1- 1 PROPIEDADES FISICAS DE LOS COMPONENTES TIPICOS DE 
LAS BIOMASAS (WOOLEY & PUTSCHE, 1996)---------------------------------------- 127 
TABLA A1- 2 FACTORES DE POTENCIAL DE EMISIONES PARA LA 
ESTIMACIÓN DE IMPACTOS EN LCA ----------------------------------------------- 128 
TABLA A1- 3 FACTORES DE NORMALIZACIÓN Y PONDERACIÓN DE 
POTENCIAL DE IMPACTOS DE LCA ------------------------------------------------- 130 
TABLA A2- 1 PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE LÍQUIDOS IÓNICOS ---- 131 
TABLA A2- 2 . COEFICIENTES DEL POLINOMINO CP GAS IDEAL DE LÍQUIDOS 
IÓNICOS ------------------------------------------------------------------------------------- 132 
TABLA A2- 3 FLUJOS MÁSICOS DE MATERIAS PRIMAS PARA CADA PROCESO
 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 133 
TABLA A2- 4 COSTOS DE LAS MATERIAS PRIMAS ---------------------------------- 134 
TABLA A2- 5 EXERGÍAS QUÍMICAS ESPECÍFICAS CALCULADAS A PARTIR DE 
LAS EXERGÍAS QUÍMICAS ESTÁNDAR -------------------------------------------- 135 
TABLA A2- 6 EXERGÍAS QUÍMICAS ESPECÍFICAS CALCULADAS POR 
CORRELACIÓN ---------------------------------------------------------------------------- 136 
TABLA A2- 7 EXERGÍAS QUÍMICAS ESPECÍFICAS DE LÍQUIDOS IÓNICOS 
CALCULADAS POR CONTRIBUCIÓN DE GRUPOS --------------------------------- 137 
 
 
 
 
ABREVIATURAS Y NOMENCLATURAS 
DP: grado de polimerización 
Mn: peso molecular promedio 
Gm: energía libre de Gibbs de mezcla [J/kg] 
Sm: entropía de mezcla [J/kg - K]Hm: entalpía de mezcla [J/kg] 
V: volumen [m3] 
E: energía de cohesión 
R: constante universal gases ideales [J/kg – K] 
CED: densidad de energía de cohesión [J/m3] 
V: volumen molar [m3/mol] 
ϕi: fracción volumétrica del compuesto i 
∆Hvap: entalpía de vaporización [J/kg] 
δ: parámetro de solubilidad de Hildebrand [J/m3]0.5 
FD: fuerzas no polares 
FP: fuerzas de cohesión polar 
PH: puentes de hidrógeno 
GGM: galactoglucomanano 
NMMO: 4-óxido de 4-metilmorfolina 
DMSO: dimetil sulfóxido 
PEG: polietilenglicol 
CS2: disulfuro de carbono 
Cuam: hidróxido de cupramonio 
Cuen: hidróxido de cupraetilendiamina 
NaOH: hidróxido de sodio 
DMA: N,N dimetilacetamida 
LiCl: cloruro de litio 
SO2: dióxido de azufre 
CH3COOH: ácido acético 
HCOOH: ácido fórmico 
N2O4: tetróxido de dinitrógeno 
DMF: N,N dimetilformamida 
THF: tetrahidrofurano 
NH4SCN: tiocianato de amonio 
NH4: amonio 
H3PO4: ácido fosfórico 
(CH2O)3: paraformaldehido 
ZnCl2: cloruro de zinc 
CF3COOH: ácido trifluoracético 
Na2S: sulfuro de sodio 
ACN: acetonitrilo 
Na2CO3: carbonato de sodio 
LI: líquido iónico 
EmimAoC: 1-etil-3-metil imidazolium 
AmimCl: 1-alil-3-metilimidazolium 
BmimCl: 1-butil-3-metilimidazolium 
EmimCl: 1-etil-3-metilimidazolium 
[Mmim][(MeO)2PO2]: 1,3-dimetilimidazolium dimetil fosfato 
GXL´s: gass expanded líquids 
DBU: 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene 
TMBG: 2-butil-1,1,3,3-tetramethylguanidine 
[DBUH]+[RCO3]: 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene carboxylate 
[TMBGH]+[RCO3]: 2-butil-1,1,3,3-tetramethylguanidine carboxylate 
OATS: organic aqueous tunable solvents 
MCC: celulosa microcristalina 
NC: nanocelulosa 
MC: metilcelulosa 
EC: etilcelulosa 
AGU: unidades de anhidro glucosa 
HEC: hidroxietilcelulosa 
HPC: hidroxipropilcelulosa 
HPMC: hidroxipropilmetilcelulosa 
CMC: carboximetilcelulosa 
AFC: acetato ftalato de celulosa 
EHEC: etilhidroxietilcelulosa 
X: exergía [J/kg] 
Xi
CH: exergía química específica [kj/kG] 
T: temperatura absoluta (K) 
P: presión [atm] 
Too: temperatura alrededores [K] 
Poo: presión alrededores [atm] 
μoo: equilibrio químico alrededores 
T0: temperatura estado muerto [K] 
P0: presión estado muerto [atm] 
μ0: equilibrio químico estado muerto 
Xph: exergía física [kJ/kg] 
Xf exergía de flujo [kW] 
XD: exergía destruida [kW] 
ς: costo relativo de materia prima o producto terminado (pesos/kg) 
 flujo másico [kg/h] :ע
LCA: life cycle assessment 
VOC: volatil organics compounds 
Ei: potencial de afectación ambiental del impacto i 
EN,i: potencial normalizado del impacto i 
EP,i: potencial ponderado del impacto i 
ec2,j: factor de afectación del potencial 2 
Bj: emisión del compuesto j 
NVDS: no volatile disolved solid 
OCSP: other compounds solid phase 
ELECNRTL: electrolytes non-random two liquid 
UF: unidad funcional 
im

: flujo másico [kg/h] 
AGRADECIMIENTOS 
 
Mis más sinceros agradecimientos a los profesores Mauricio Esteban Sánchez y 
Juan Carlos Cruz Jiménez. Mil gracias por brindarme la oportunidad de ser su 
estudiante. Gracias por todas esas tardes de enseñanzas, paciencia y motivación. 
 
Quiero agradecer, a la estudiante Marcela Marulanda. Su invaluable aporte fue 
fundamental en el desarrollo del presente trabajo. Muchas gracias por no desistir y 
estar presente hasta el final. 
 
De igual manera, agradezco el apoyo incondicional del grupo de Simulación, 
Diseño, Control y Optimización de Proceso – SIDCOP – perteneciente a la 
Universidad de Antioquia. 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
Los solventes verdes representan una de las opciones más atractivas en un 
sinnúmero de aplicaciones que van desde la catálisis homogénea y heterogénea 
hasta los procesos de separación avanzados. En este sentido, alternativas como 
los fluidos supercríticos, los solventes reversibles o los líquidos iónicos; entre 
otras, se han posicionado como tecnologías de gran interés en ciertos sectores de 
la química y de la síntesis de procesos donde se pretende revaluar el uso 
intensivo de solventes tradicionales. 
A pesar de valiosos atributos, la incorporación de los solventes verdes en 
procesos de manufactura a gran escala es aún muy restringida. Esta limitante es 
debida principalmente a sus altos costos actuales, escasez en la disponibilidad de 
datos termodinámicos e inmadurez de la tecnología. 
Este trabajo está encaminado a dilucidar el verdadero potencial de algunos 
solventes verdes como agentes integradores en la síntesis de celulosa a partir de 
biomasa. Para tal efecto, seleccionaron biomasas de interés en los ámbitos local y 
nacional, se identificaron solventes verdes como potenciales sustitutos de los 
solventes empleados convencionalmente en procesos de transformación de 
biomasa a celulosa, se emplearon herramientas de simulación (ASPEN PLUS®), 
para sintetizar procesos de obtención de celulosa y se abordó el análisis de ls 
procesos desde la estimación del potencial de sostenibilidad para cada uno de 
ellos, teniendo en cuenta los ámbitos técnico, ambiental y económico. 
La culminación de este trabajo de investigación logró recopilar información 
termodinámica valiosa de los líquidos iónicos y se desarrolló una metodología para 
su incorporación y simulación en el software ASPEN PLUS®. A nuestro 
conocimiento, el presente trabajo representa un primer acercamiento a la síntesis 
y simulación de procesos que involucran el manejo de las biomasas y los líquidos 
iónicos. Además, se logró demostrar que la metodología de estimación del 
potencial de sostenibilidad y su enfoque holístico que pone en consideración 
simultánea las implicaciones económicas, energéticas y ambientales de los 
procesos representa una herramienta poderosa para el estudio y selección de 
alternativas de proceso que se encuentren bajo competencia. 
1 CAPITULO 1: MARCO TEÓRICO 
1.1 Aspectos generales de las biomasas 
Desde la prehistoria, las biomasas han sido empleadas como fuentes de diversos 
productos para satisfacer las necesidades de las civilizaciones. Varios productos 
químicos derivados de biomasas se remontan a épocas en las cuales las 
transformaciones mecánicas, los procesos químicos o las técnicas de 
caracterización eran incipientes. Estos primeros productos incluían sustancias 
químicas como el etanol o el ácido acético, empleadas ampliamente en la 
actualidad. Con el renacer de nuevas ciencias y el entendimiento científico de la 
química en el siglo XIX, el uso de la biomasa se orientó a nuevos procesos 
químicos y debido a la disponibilidad del petróleo en el siglo XX así como su 
facilidad de procesamiento, materias primas ricas en carbohidratos se dejaron de 
lado. Lo anterior, sumado a las incalculables e importantes inversiones 
económicas por parte de Gobiernos y de la industria privada, permitió que el 
petróleo se posicionara como la principal fuente de materias primas para la 
producción de productos químicos y materiales intermedios (Elliott, 2004). Tal 
marcada dependencia de la industria contemporánea por el petróleo y otros 
recursos no renovables, ha generado inconvenientes importantes en las últimas 
décadas, dentro de los que se pueden destacar: 
 Incertidumbre: la volatilidad de los precios internacionales del petróleo, así 
como sus niveles de suministro y reservas de los países productores hacen 
cada vez más complicadas las estrategias de planificación económica. 
 Insostenibilidad: se ha limitado el desarrollo de modelos económicos basados 
en fuentes energéticas no renovables y por lo tanto no perdurables. 
 Cambio climático: una economía basada en combustibles fósiles genera altos 
niveles de emisiones de gases de efecto invernadero, principalmente dióxido 
de carbono (CO2), los cuales favorecen fenómenos de cambio climático como 
el calentamiento global. 
Estas situaciones adversas han despertado el interés de gobiernos e 
investigadores alrededor del mundo que han resultado en el desarrollo de nuevas 
políticasy tecnologías encaminadas a la reducción en el uso recursos no 
renovables. Adicionalmente, se busca que estos nuevos desarrollos sean 
amigables con el ambiente bien sea en usos como la generación o como materia 
prima para nuevos productos o materiales. Una de las estrategias más atractivas 
para este fin consiste en el aprovechamiento de biomasas de origen diverso 
(Castro-Montoya & Jimenez-Gutierrez, 2012). 
1.2 Generalidades de las biomasas 
En general, el término biomasa hace referencia a la materia que puede ser 
obtenida, directa o indirectamente, a partir de cualquier fuente vegetal y la que 
puede ser empleada como fuente de energía o como materia prima en cantidades 
sustanciales. Aún cuando esta definición ha sido ampliamente aceptada, el 
término biomasa se ha asociado a una gran diversidad de materias primas tales 
como: especies vegetales terrestres o acuáticas, productos agrícolas, residuos 
forestales, ciertos residuos de procesos industriales y aguas residuales 
(Yokoyama & Matsumura, 2008). 
De acuerdo a su origen, las biomasas pueden clasificarse de la siguiente manera: 
 Plantas y residuos agrícolas: tallos secos de gramíneas como el trigo y la 
cebada, tallos de maíz, tusas de mazorca, etc. 
 Residuos de animales de granja: estiércol de ganados bovinos y porcinos y 
residuos de aves de corral. 
 Residuos derivados de producción agroindustrial: bagazos, cascarilla de arroz, 
cascara de nueces, etc. 
 Residuos de árboles y arbustos: residuos de poda, ramas, etc. 
 Residuos de la madera: aserrín, corteza de madera, maderas de descarte, etc. 
 Residuos sólidos municipales: porciones de residuos sólidos orgánicos. 
 Plantas de crecimiento rápido: árboles como el álamo y el eucalipto o pastos 
como el switchgrass y el miscanthus. 
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy 
Laboratory – NREL) (NREL/JA, 2002) y el Departamento de Servicios Forestales 
(U.S Forest Service) (Shelly, 2011) de los E.E.U.U han desarrollado otro tipo de 
clasificación. En su esquema, las biomasas se catalogan en función de su 
contenido de celulosa y lignina. De esta manera, las ―biomasas celulósicas‖ son 
aquellas que tienen celulosa como componente principal; siendo los tallos del 
maíz y los pastos los más reconocidos. Por su parte, ―las biomasas 
lignocelulósicas‖ se caracterizan por contienen cantidades apreciables de celulosa 
y lignina; siendo las maderas, el aserrín de madera y la corteza de árboles los 
ejemplos más significativos. 
1.2.1 Biomasa lignocelulósica 
La biomasa lignocelulósica es uno de los materiales más abundantes en el planeta 
tierra, con un promedio de producción aproximado de 170x109 tons/año (Bozell & 
Patel, 2004). Solo el 3% de esta cifra es cultivada y usada como alimentos o en 
otras aplicaciones. Básicamente, este tipo de biomasas se componen de celulosa 
(40-50%), hemicelulosa (25-30%) y lignina (20-30%). Estas biomasas pueden ser 
encontradas principalmente en residuos agrícolas, agroindustriales, maderas, 
residuos celulósicos, residuos sólidos municipales y residuos forestales (Castro-
Montoya & Jimenez-Gutierrez, 2012). 
1.2.1.1 Características químicas de la celulosa 
La celulosa es el componente principal de la pared celular de las plantas y está 
conformada por una cadena polimérica lineal de unidades de glucosa, como se 
muestra en la figura 1-1. Debido a su estructura lineal, forma una estructura 
cristalina, rígida altamente estable y difícil de romper. 
 
 
 
 
Figura 1-1 Estructura química de la celulosa. 
Fuente: Adaptado de: Poletto, Pistor, and Zattera 2013 
Como puede apreciarse en la figura 1-2, la estructura de la celulosa se compone 
de dos anillos anhidroglucosídicos (AGU) (C6H10O5)n, unidos a través del oxígeno 
enlazado covalentemente entre el primer carbono (C1) de la estructura de la 
glucosa y el carbono número cuatro (C4) del anillo adjunto. Este tipo de unión es 
conocido como el enlace β-1,4–O-glucosídico de la celulosa. El grado de 
polimerización, n, depende marcadamente del tipo y origen de la biomasa y se ha 
estimado en un rango entre 10.000 y 15.000 unidades. 
 
 
 
 
 
Figura 1-2 Enlace β-1,4–O-glucosídico en la estructura de la celulosa. 
Fuente: adaptado de Poletto, Pistor, and Zattera 2013 
 
Celobiosa
Cada unidad repetitiva contiene tres grupos hidroxilos capaces de formar puentes 
de hidrógeno entre las cadenas de celulosa. Dichos enlaces permiten un 
acoplamiento lineal estable y son en ultimas los responsables de las propiedades 
físicas de la celulosa. Aparte de los puentes de hidrógeno, existen además fuerzas 
del tipo van der Waals que promueven la formación de agregados conocidos como 
fibrillas. Adicionalmente, dicha red de puentes de hidrógeno inter e intracatenarios, 
hacen de la estructura de la celulosa un polímero relativamente estable y 
proporcionan a las fibrillas de celulosa alta rigidez axial (Poletto et al., 2013). 
Tanto las altamente cristalinas y ordenadas como aquellas con estructuras 
completamente amorfas, hacen de la celulosa un sólido de agregación con 
propiedades de refuerzo mecánico únicas (Poletto et al., 2013). 
1.2.1.2 Características químicas de la hemicelulosa y lignina 
La hemicelulosa es el segundo componente en importancia presente en la pared 
celular de las plantas. Conformada por cadenas poliméricas cortas y ramificadas, 
está compuesta de xilosa como unidad monomérica fundamental así como de 
hexosas (glucosa, manosa, galactosa, etc.) y pentosas (xylosa y arabinosa) en 
menor proporción. Debido a la presencia de ramificaciones en su estructura las 
cadenas no logran formar estructuras cristalinas y por lo tanto su descomposición 
es más fácil de lograr que en el caso de la celulosa. En la figura 1-3 se presenta la 
estructura típica de la hemicelulosa. 
 
 
Figura 1-3 Estructura química de la hemicelulosa. 
 Fuente: adaptado de: Poletto, Pistor, and Zattera 2013 
 
El tercer constituyente en importancia en las biomasas lignocelulósicas es la 
lignina. Esta es un complejo polímero perteneciente a la familia de los fenoles con 
unidades repetitivas de fenil-propano, unidas a enlaces del tipo carbono-carbono 
(C-C) y carbono-oxigeno-carbono (C-O-C). Esto da lugar a una estructura 
tridimensional amorfa que presenta alta hidrofobicidad y que sirve de pegamento 
entre la celulosa y la hemicelulosa en la pared celular de las plantas. Más aún, la 
lignina crea una barrera protectora capaz de retardar los procesos de degradación. 
La fórmula estructural de la lignina se presenta en la figura 1-4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1-4 Estructura química de la lignina. 
Fuente: adaptado de Hill 2006 
 
1.2.1.3 Cristalinidad de la celulosa 
Se han identificado 4 estados de polimorfismo en la molécula de celulosa 
nombradas con número romanos entre I y IV. La celulosa I es también conocida 
como celulosa nativa, y corresponde a la forma encontrada en la naturaleza. Sin 
embargo, debido a que su estructura es meta-estable es posible convertirla en 
celulosa II o III. La celulosa I tiene a su vez dos estructuras polimórficas, una 
estructura monoclínica Iβ y una estructura triclínica Iα, las cuales coexisten en 
diferentes proporciones. Por ejemplo, en plantas mayores, la estructura Iα es una 
forma poco común, mientras la estructura Iβ es la estructura dominante. La 
celulosa Iα es meta-estable y puede ser convertida en Iβ por medio de 
 
Sinapyl Alcohol
Coniferyl Alcohol
p - Coumaryl Alcohol
tratamientos térmicos en soluciones acuosas de características alcalinas (Poletto 
et al., 2013). 
La estructura polimorfas Iα y Iβ de la celulosa se pueden apreciar en la figura 1-5. 
La celda notaria de la estructura Iα contiene una cadena de celulosa con 
parámetros: a = 0.672 nm, b = 0.956 nm, c = 1.040 nm, α = 118.08°, β = 114.80° y 
 = 80.375° (Moon, Martini, Nairn, Simonsen, & Youngblood, 2011).Figura 1-5 Representación esquemática de las estructuras cristalinas Iα y Iβ de la 
celulosa. 
Fuente: Poletto, Pistor, and Zattera 2013. 
Por su parte, las celdas unitarias de la estructura Iβ contienen dos cadenas de 
celulosa, y sus parámetros de celda son: a = 0.778 nm, b = 0.820 nm, c = 1.038 
nm, Así mismo, se identifican tres estructuras planares reticuladas 
(lattice) con un espaciamiento d aproximado de 0.39nm, 0.53nm y 0.61 nm, 
compartidas y correspondientes a los planos reticulares Iα (110)t, (010)t y (100)t y 
a los planos reticulares Iβ (200)m, (110)m y (110)m, respectivamente. En donde, los 
subíndices t y m representan las estructuras triclinicas y monoclinicas, 
respectivamente. La principal diferencia entre las estructuras Iα y Iβ es el 
desplazamiento relativo de las capas o láminas adyacentes de celulosa (cadenas 
de celulosa apiladas una encima de otra) observadas a lo largo de los planos 
(110)t y (200)m (conocidos como planos de ―puentes de hidrógeno‖) en dirección 
de las cadenas de celulosa. De esta manera, para la estructura Iα existe un 
desplazamiento relativo de c/4 entre cada plano subsiguiente al plano del puente 
de hidrogeno, mientras que para la Iβ, el desplazamiento alterna en un rango 
equivalente entre c/4 y – c/4 (Moon et al., 2011). 
1.2.1.4 Reactividad y accesibilidad de la celulosa 
Los múltiples estados de polimorfismo son en general asociados con el limitado 
acceso a las fibras de celulosa. Estos estados determinan parámetros tan 
importantes como la cantidad y el tamaño de los poros en la estructura, el tamaño 
de fibras o agregados de fibras y la superficie interna. Para lograr modificaciones o 
pretratamientos a los materiales lignocelulósicos los cambios en el polimorfismo 
deben ser analizados y monitoreados cuidadosamente. Por ejemplo, los 
tratamientos químicos se enfocan en el hinchamiento de las fibras de celulosa a 
través del contacto directo con solventes capaces de desestabilizar la estructura 
mediante la ruptura de los puentes de hidrógeno. A su vez, el solvente debe 
promover un aumento en el área superficial y permitir mayor disponibilidad de los 
grupos hidroxilos de la celulosa. En contraste, los tratamientos mecánicos se 
centran en generar un aumento del área superficial reactiva mediante intervención 
de las conexiones entre fibras (Köpcke, 2008; Ott, Spurilin, & Grafflin, 1954). 
En general, se ha propuesto que la reactividad de la celulosa es definida 
principalmente por el factor de accesibilidad el cual a su vez es habitualmente 
relacionado con la cristalinidad del substrato. Aparte de la cristalinidad, parece ser 
que la estructura supramolecular de la celulosa juega un papel importante sobre 
su reactividad. Esto puede ser ilustrado en los procesos de acetilación o nitración 
en donde se ha observado disminución significativa de la reactividad de la celulosa 
después de proceso mecánicos como la extrusión o maceración ya que son 
capaces de cambiar la organización supramolecular. De manera similar, se ha 
sugerido que el factor de accesibilidad es un parámetro crucial en los procesos de 
solubilización. Este factor está asociado a cambios en la fortaleza relativa. Por 
ejemplo, la celulosa regenerada presenta insolubilidad total en solventes como el 
dimetilsulfoxido (DMSO) mientras que la celulosa nativa se disuelve 
completamente en dicho solvente. Estas diferencias en solubilidad pueden ser 
explicadas a la luz de alteraciones en los puentes de hidrógeno provocadas por 
las diferencias en accesibilidad (Lai, 1996). 
 
1.3 Disolución de celulosa 
Debido a su composición química, la celulosa es un polímero natural insoluble o 
parcialmente soluble en la gran mayoría de solventes. Aún cuando se han 
identificado un número considerable de alternativas, la búsqueda de disolventes 
más eficientes, estables y amigables con el ambiente se encuentra aún en 
progreso. Esto cobra particular importancia en el contexto discutido previamente 
según el cual se deben preferir opciones cuyo origen sea renovable. 
Adicionalmente, se deben atender ciertos criterios como la facilidad para llevar a 
cabo reacciones de transformación, caracterización de productos obtenidos y 
forma o aplicación final. Esto convierte a la selección de los solventes en un reto 
importante de ingeniería que involucra cinética, termodinámica, química orgánica e 
inorgánica, fisicoquímica y la ciencia de los materiales (Olsson & Westman, 2013). 
1.3.1 Aspectos generales de los polímeros 
El término polímero hace referencia directa a compuestos conformados por 
pequeñas unidades repetitivas o monómeros que se encuentran unidas entre ellas 
por enlaces covalentes. Esta definición incluye tanto polímeros sintéticos 
(obtenidos principalmente a partir de derivados del petróleo) como los polímeros 
naturales (obtenidos a partir de fuentes naturales), siendo la celulosa el más 
abundante entre los polímeros de origen natural. Salvo contadas excepciones, los 
polímeros no son completamente homogéneos, ellos presentan una variedad de 
grupos químicos y topologías tridimensionales importantes a lo largo de su 
extensión. Por lo tanto, para describir dicha heterogeneidad es necesario introducir 
parámetros como el grado de polimerización (DP) y la distribución del peso 
molecular. Esta heterogeneidad también se ve reflejada en propiedades tales 
como la cristalinidad, la solubilidad y la densidad, las cuales a su vez definen las 
propiedades mecánicas y aplicaciones industriales del producto. De acuerdo con 
su distribución, cuando un polímero presenta la unión de diferentes unidades 
repetitivas o monómeros, se conoce como co-polímero o heteropolímero y puede 
estar organizado aleatoriamente o con un orden definido. Entre tanto, cuando el 
polímero presenta un único tipo de monómero, se conoce como homopolímero y 
puede variar en su configuración estereoquímica. Dichas variaciones dan lugar a 
polímeros isotácticos (todos los monómeros tienen igual configuración 
estereoquímica), sindiotácticos (todos los monómeros tienen posiciones 
alternadas) o atácticos (todos los monómeros tienen posiciones completamente 
aleatorias) (Olsson & Westman, 2013). 
Para disolver un polímero, este debe someterse a un proceso de disolución 
multietapa. Esto es debido a la bidireccionalidad de los procesos de transferencia 
de masa. En estos casos, la penetración del solvente en la red polimérica es 
bidireccional, lo cual genera el hinchamiento de las capas más externas del 
polímero, desbaratando dichas capas y permitiendo el ingreso del solvente a las 
capas más internas del polímero. Entre tanto, una sustancia sin características 
macromoleculares puede disolverse de manera relativamente fácil al contacto con 
un solvente de buen poder disolvente. En este caso, los procesos de transferencia 
de masa ocurren en una zona en reposo muy cercana a la superficie exterior del 
sólido. Es pertinente entonces concluir que la velocidad de disolución de un 
polímero disminuye con el incremento en su peso molecular. Adicionalmente, se 
ha demostrado que la poli-dispersión también presenta un efecto significativo en 
dicha velocidad. De esta forma, polímeros poli-dispersos de amplio peso molecular 
se disuelven hasta dos veces más rápido que el equivalente mono-disperso con 
idéntico peso molecular. Así mismo, la gran diversidad de grupos funcionales, 
longitudes de cadena e interacciones intra e inter cadena, hacen que existan 
solventes específicos para cada tipo de polímero (Olsson & Westman, 2013). 
1.3.2 Termodinámica de disolución de polímeros 
La solubilidad de cualquier sustancia en uno o más solventes está ampliamente 
determinada por las estructuras químicas tanto del soluto como del solvente. En 
general, una alta solubilidad se asegura si los parámetros de solubilidad de ambos 
componentes son lo suficientemente cercanos. Este principio se ha conocido 
como ―lo similar disuelvelo similar‖, y, es casi una regla general de la química 
(Miller-Chou & Koenig, 2003). 
Respecto a la disolución de polímeros amorfos en un solvente, esta situación es 
gobernada por la energía libre de mezclado, la cual se puede estimar empleando 
la ecuación 1: 
∆Gm = ∆Hm - T∆Sm 
Ecuación 1 
Donde el término ∆Gm representa el cambio de la energía libre de Gibbs de 
mezclado, ∆Hm es el cambio de la entalpía de mezclado, T es la temperatura 
absoluta, y ∆Sm representa el cambio de la entropía de la mezcla. Un valor 
negativo para el cambio de la energía libre de Gibbs de mezclado indica que, 
dicho proceso ocurre espontáneamente. Para polímeros de alto peso molecular, la 
disolución siempre estará asociada con pequeños cambios positivos en la entropía 
del sistema, como resultado es el término de entalpía que define el valor final de la 
energía libre de Gibbs de mezclado. De aquí que los parámetros de solubilidad 
hayan sido desarrollados para describir la entalpía de mezclado (Miller-Chou & 
Koenig, 2003). 
Hildebrand describió que las conductas que toma la solubilidad de un soluto, en 
una serie de solventes, estarán determinadas por las presiones de los solventes 
(Marciniak, 2011). Posteriormente, Scatchard complementó las teorías de 
Hildebrand con el concepto de ―densidad de energía de cohesión‖ (Torres, de 
Hemptinne, & Machin, 2013). De esta manera, de acuerdo con los trabajos de 
Hildebrand, Scott y Scatchard (Hansen, 2008) la entalpía de mezclado puede ser 
estimada empleando la ecuación 2: 
∆Hm = ∆Vmix [(∆E1
V / V1)
0.5 - (∆E2
V / V2)
0.5]2ϕ1*ϕ2 
Ecuación 2 
Donde Vmix es el volumen de la mezcla, ∆Ei
V es el cambio isotérmico de la energía 
de vaporización de la especie i como líquido saturado a un estado de gas ideal a 
volumen infinito, Vi es el volumen molar de la especie i y ϕi es la fracción de 
volumen de la especie i en la mezcla. El término de energía de cohesión, E, de un 
material es el incremento en la energía molar interna del material considerando 
despreciables todas las fuerzas intermoleculares. Por lo tanto, la densidad de 
energía de cohesión (CED), será la energía por unidad de volumen requerida para 
romper todas las uniones físicas intermoleculares de dicho material (Ecuación 3) 
(Miller-Chou & Koenig, 2003): 
VRTVECED /)H(/ vap  
Ecuación 3 
Donde ∆Hvap es la entalpía de vaporización, R es la constante universal de los 
gases y T es la temperatura absoluta. De esta forma, el parámetro de solubilidad 
de Hildebrand (δ) es definido como la raíz cuadrada de la densidad de energía de 
cohesión, Ecuación 4. (Miller-Chou & Koenig, 2003): 
5.0)/( VE 
Ecuación 4 
Reescribiendo la ecuación 2, podemos obtener una expresión para el calor de 
mezcla por unidad de volumen de una mezcla binaria, Ecuación 5. 
∆Hm/V = (δ1 – δ2)
2 ϕ1*ϕ2 
Ecuación 5 
Para asegurar que el proceso de mezclado sea factible debe cumplirse que 
∆Gm≤0; por lo tanto, la diferencia en los parámetros de solubilidad (δ1 – δ2) debe 
minimizarse. Es importante tener en cuenta que, las predicciones de solubilidad 
realizadas a partir de los parámetros de solubilidad de Hildebrand no tienen en 
cuenta interacciones específicas, (e,g., los puentes de hidrógeno). Tampoco 
tienen en cuenta efectos morfológicos (cristalinidad), de entrecruzamiento o los 
generados por el calentamiento. El comportamiento asumido en las ecuaciones 
puede llevar a estimaciones erróneas. Para resolver estos inconvenientes, Hansen 
introdujo un modelo complementario que considera interacciones específicas 
adicionales y cada una de ella son explicadas a continuación (Miller-Chou & 
Koenig, 2003):. 
1.3.2.1 Fuerzas no polares o interacciones dispersivas (FD) 
Se fundamentas en las fuerzas de atracción entre átomos, que a su vez, son 
generadas por los campos electromagnéticos producidos por los electrones que 
orbitan los átomos. 
1.3.2.2 Fuerzas de cohesión polar (FP) 
Son producidas por interacciones permanentes de tipo dipolo-dipolo y por ende 
están relacionadas con el momento dipolar de la molécula. Se encuentran en la 
mayoría de las moléculas pero su forma puede variar de una a otra. 
1.3.2.3 Puentes de hidrógeno (PH) 
Es una interacción molecular semejante a las interacciones polares. Se 
consideran más débiles que los enlaces covalentes pero son mucho más fuertes 
que las interacciones comunes tipo dipolo-dipolo. 
De esta forma, la teoría propuesta por Hansen divide el término de energía de 
cohesión en tres tipos de interacciones Ecuación 6: 
E = ED + EP + EH 
Ecuación 6 
Expresando la ecuación (6) en función del volumen molar, obtenemos el cuadrado 
del parámetro de solubilidad de Hildebrand en función de la suma de los 
cuadrados de los parámetros de interacción de Hansen. Ver: Ecuación 7 y 
Ecuación 8 (Miller-Chou & Koenig, 2003): 
E/V = ED/V + EP/V + EH/V 
Ecuación 7 
δ2 = δD
2 + δP
2 + δH
2 
Ecuación 8 
La estimación de los parámetros de solubilidad de Hildebrand y Hansen, para 
diversos compuestos puede encontrarse en el texto Hansen Solubility Parameters 
(HSP): a user´s handbook (Hansen, 2008). Estos parámetros son valores 
numéricos que indican la fuerza o intensidad de las interacciones entre las 
moléculas de solventes y han sido ampliamente utilizados en la determinación y 
predicción de propiedades como son la solubilidad o el hinchamiento. En la tabla 
1.1 se presentan los parámetros de solubilidad de Hansen e Hildebrand para 
diferentes materiales y solventes empleados en la disolución de celulosa. 
Tabla 1.1 Parámetros de solubilidad de Hansen y de Hildebrand 
MATERIALES 
PARÁMETROS DE 
SOLUBILIDAD DE 
HANSEN* 
(MPa1/2) 
PARÁMETROS 
DE 
SOLUBILIDAD 
HILDEBRAND** 
(MPa1/2) 
δD δP δH δH 
Celulosa 24.3 19.9 22.5 N/D 
Lignina 21.9 14.1 16.9 N/D 
Acetato de 
celulosa 
18.6 12.7 11.0 
 
Dimetil 
sulfoxido 
18.4 16.4 10.2 N/D 
Dimetil 
formamida 
N/D N/D N/D 12.14 
EmimAoC N/D N/D N/D 25.16 
BmimCl N/D N/D N/D 24.14 
Fuente: *Hansen 2008, **Weerachanchai et al. 2012 
 
1.4 Solubilidad de la celulosa 
Aunque la estructura de la celulosa es la de un homo-polímero lineal, su disolución 
ha sido un reto exigente para la comunidad científica. Debido a que la celulosa en 
su estado nativo está disponible como un polímero muy largo con alto grado de 
polimerización, inevitablemente existe una disminución en la solubilidad del mismo 
causada por la disminución de ganancia entrópica durante el proceso de 
disolución. Aun cuando cualquier oligómero de la celulosa con un grado de 
polimerización menor de 10 es soluble en solventes polares como el agua, la 
celulosa no lo es. Analizando la estructura de la glucosa es comprensible que los 
tres grupos hidroxilos por unidad de anhidroglucosa permiten la formación de 
complejos enlaces de puentes de hidrógeno, de tal manera que para romperlos, es 
necesario disponer de solventes con alta capacidad de formar puentes de 
hidrogeno. Esto explica porque, una buena cantidad de solventes, incluyendo el 
agua, pueden hinchar la celulosa pero no la disuelven completamente(Olsson & 
Westman, 2013). El hinchamiento de cualquier polímero es definido como el 
proceso de interacción solvente/polímero en el cual la molécula de líquido penetra 
la estructura de la macromolécula cambiando algunas propiedades físicas del 
polímero. Contrario al proceso de hinchamiento, la disolución del polímero implica 
la ruptura de la estructura supramolecular por interacciones directas 
solvente/polímero. En este sentido, es pertinente afirmar que un buen solvente 
para polímeros es aquel capaz de superar la ganancia de baja entropía por medio 
de interacciones solvente/polímero de gran magnitud. En el caso de la celulosa, un 
buen solvente debe poseer un carácter amfifilico; es decir, poseer características 
hidrofílicas e hidrofóbicas en su estructura. Esto en razón a que la celulosa 
contiene grupos OH y CH, los cuales tienen carácter hidrofílicoe hidrofóbico, 
respectivamente. Aparte de esto, la cinética de disolución de celulosa con un 
solvente específico puede ser acelerada a temperaturas del proceso elevadas; sin 
embargo, evítense correr el riesgo de observar reacciones colaterales de 
degradación. A escala industrial, el proceso de disolución de celulosa, es 
suplementado con energía mecánica a través de amasadoras de alta velocidad. 
Este equipo de proceso es fundamental para asegurar la desintegración de fibras 
y partículas de gel, formadas durante el proceso de hinchamiento del polímero 
(Olsson & Westman, 2013). 
1.4.1 Comportamiento anfifílico de la celulosa 
La celulosa como muchos otros polímeros presenta un comportamiento anfifílico; 
es decir, contienen grupos o segmentos polares y no polares. Por lo tanto, se ha 
argumentado que debido a los puentes de hidrógeno intra e intermoleculares 
presentes en su estructura, existe la formación enlaces más simples con regiones 
que difieren marcadamente en su polaridad. Las regiones hidrofóbicas tendrían 
una mayor tendencia a unirse a otros cuando se proporcionen entornos acuosos, 
contribuyendo a un estado de más baja solubilidad. Aunque, en conjunto, la 
celulosa no es más ni menos polar que otros polisacáridos, la posición geométrica 
de las regiones polares y no polares afectan fuertemente su solubilidad. En este 
sentido, si el comportamiento anfifílico es significativo, y si las interacciones 
hidrofóbicas influyen de manera importante en la baja solubilidad en medios 
acuosos, algunas predicciones sencillas pueden realizarse: primero, la solubilidad 
de la celulosa podría facilitarse en solventes que presenten también 
comportamiento anfifílico, proporcionando tanto regiones polares como no polares. 
Un ejemplo de esto son los líquidos iónicos y el 4-óxido de 4-metilmorfolina 
(NMMO). Segundo, la presencia de co-solutos que faciliten un debilitamiento 
marcado de las interacciones hidrofóbicas, lograrían promover la solubilidad de 
celulosa en medios acuosos. Un ejemplo de estos compuestos son el 
polietilenglicol (PEG), la urea y sus derivados (Lindman, Karlström, & Stigsson, 
2010). 
 
1.5 Solventes de celulosa 
La celulosa es un polímero natural insoluble en agua, y generalmente, soluble en 
solventes orgánicos. Debido a su estructura molecular, solamente puede lograrse 
su disolución una vez los puentes de hidrogeno intra e inter moleculares son 
fragmentados efectivamente. Sin embargo, hoy en día no hay una aprobación 
general acerca de los procesos necesarios para interrumpir la red de puentes de 
hidrógeno del polímero e iniciar la solvatación de las cadenas de celulosa. En la 
tabla 1.2 se presenta la clasificación de los solventes de acuerdo con las posibles 
interacciones con la celulosa (Liebert, 2010): 
 
Tabla 1.2 Clasificación de los solventes de celulosa 
TIPO SOLVENTE CARACTERÍSTICA 
INTERACCIÓN CON 
LA CELULOSA 
Ácidos 
Ácido sulfúrico Celulosa actúa como 
una base Ácido trifluoracético 
Bases Hidróxido de potasio 
Celulosa actúa como un 
ácido 
Complejos 
metálicos 
Hidróxido de 
cupramonio (cuam) La celulosa actúa como 
un ligando Etilendiamina quelato 
de cadmio (cadoxen) 
Reactivos 
Xantato 
La celulosa se 
comporta como un 
compuesto reactivo y es 
convertida en un 
derivado o intermedio 
soluble 
Trifluor acetato 
 
La clasificación de los solventes de celulosa expuesta en la tabla 1.2 se puede 
resumir en dos grandes grupos: los derivatizantes y los no derivatizantes. A 
continuación se explican estos dos grupos de solventes y se extiende la discusión 
a otro tipo de solventes que llamaremos no convencionales. 
1.5.1 Solventes derivatizantes 
En este grupo se reúnen los solventes que permiten que el proceso de disolución 
ocurra de manera conjunta con la formación de derivados intermedios de celulosa; 
es decir, con la formación de éteres, ésteres o acetatos (Heinze & Koschella, 
2005). La disolución de celulosa por medio de la formación de intermediarios 
químicos o solventes derivatizantes, implica la reacción de los grupos OH del 
carbono 6 de la celulosa. Por lo tanto, un solvente derivatizante es aquel capaz de 
romper la red de puentes de hidrógeno y permitir la formación de una solución 
homogénea. La accesibilidad de los grupos C6-OH en la estructura de la celulosa 
es el factor limitante durante el proceso de solubilidad, ya que este es el principal 
sitio de formación de puentes de hidrógeno intermoleculares. Como particularidad, 
cabe anotar que los derivados de celulosa sin substituciones en los grupos C6-OH 
tienden a formar geles durante la disolución (Granström, 2009). 
 
1.5.2 Solventes no derivatizantes 
Este tipo de solventes denotan sistemas que disuelven a la celulosa solamente por 
interacciones intermoleculares. Dentro de este grupo encontramos los solventes 
acuosos a base de complejos metálicos de transición y que aunque involucran 
interacciones muy fuertes estas no son de tipo covalente. A su vez, los solventes 
no derivatizantes se pueden clasificar en sistemas acuosos y no acuosos. Los 
solventes acuosos son principalmente complejos metálicos y sales inorgánicas, 
siendo los más reconocidos el hidróxido de cupramonio (Cuam) y el hidróxido de 
cupraetilendiamina (Cuen). Este último, permite celulosa con bajo grado de 
polimerización (< 200) en soluciones de NaOH al 10%. Respecto a los sistemas no 
acuosos, el sistema N,N dimetilacetamida (DMA)/LiCl es de los más promisorios 
debido principalmente a que permite obtener soluciones transparentes de celulosa 
y sin degradación aparente, incluso para el caso de polisacáridos de alto peso 
molecular. Similarmente, se ha encontrado que el sistema 
DMSO/SO2/dimetilamina da lugar a una disolución. Para el caso de sistemas de 
solventes simples, el haluro de N, alkilpiridina y los N-óxidos de aminas terciarias 
han suscitado un interés especial. Dentro de este grupo los más destacados son el 
cloruro de N, etilpiridina y el NMNO (Heinze & Koschella, 2005). En la figura 1-6 se 
puede apreciar la clasificación general de los solventes de celulosa de acuerdo 
con su principio de solubilización. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1-6 Clasificación de los solventes de celulosa. 
Fuente: adaptado de Heinze and Koschella 2005, 
 
Recientemente, debido a su naturaleza química y a sus estructuras versátiles, los 
líquidos iónicos han generado gran atención como solventes alternativos para la 
disolución y modificación de celulosa. A continuación, se presentan tanto los 
solventes convencionales como alternativos para la formación de disoluciones de 
celulosa. 
 
1.5.3 Solventes convencionales 
En las tablas 1.3 a 1.5 se presenta la información condensada de los principales 
solventes convencionales empleados para la disolución y modificación de 
celulosa. 
Tabla 1.3 Productos intermedios obtenidos durante la disolución con solventes 
reactivos (Granström 2009). 
 
 
 
 
Tabla 1.4 . Sistemas acuosos para disolución homogénea de celulosa (Heinze and 
Koschella 2005) 
 
 
 
Respecto a los sistemas no acuosos para la disolución homogénea de celulosa 
generalmente se encuentran desde 1 hasta 3 componentes. Las mezclas poseen 
como estructura general: líquido polar orgánico + SO2 + amina. La amina puede 
ser primaria, secundaria o terciaria para estructuras alifática. Si la estructura es 
alicíclica, la amina debe ser secundaria (Heinze & Koschella, 2005). 
 
 
Tabla 1.5 Sistemas no acuosos para disolución homogénea de celulosa (Heinze and 
Koschella 2005) 
 
 
1.5.4 Solventes Alternativos 
1.5.4.1 Polímeros líquidos 
El concepto de extracción reactiva en sistemas acuosos bifásicos puede integrarse 
satisfactoriamente a las propiedades del PEG. Esto se atribuye a que este puede 
ayudar efectivamente en la separación de reactivos, productos y catalizadores; así 
como, incrementar selectividades y rendimientos. No obstante, aunque elPEG y 
los sistemas acuosos bifásicos se han empleado desde los años 50´s en temas de 
bio-separaciones, solamente en los últimos 10 años se han explorado como 
solventes verdes. Las características más atractivas de este tipo de solventes son 
la facilidad para separación de fases de reactivos y productos, las posibles 
mezclas PEG-Sales que ofrecen propiedades como medio de reacción y, la 
posible separación del PEG y complejos metálicos después de usados en la 
reacción (Kerton, 2009). Específicamente, las soluciones acuosas de PEG/NaOH, 
PEG/Na2S, PEG/Na2CO3 se han empleado exitosamente en procesos de 
disolución de materiales lignocelulósicos a nivel de laboratorio (Yan & Gao, 2008). 
1.5.4.2 Líquidos iónicos (LI) 
Los líquidos iónicos son sales fundidas que se encuentran en estado líquido a 
temperatura ambiente o después de calentamiento leve. Aunque los líquidos 
iónicos fueron sintetizados a principios del siglo XX, solamente en los últimos años 
han recibido atención por parte de la comunidad científica para ser considerados 
en aplicaciones tales como: análisis químico, catálisis química y síntesis orgánica; 
entre otras. Debido a que los líquidos iónicos poseen características fisicoquímicas 
especiales como: alta estabilidad térmica, baja inflamabilidad, despreciable 
presión de vapor y posibilidad de recirculación en el proceso se les ha 
categorizado como potenciales solventes verdes. En el caso particular de la 
disolución de celulosa, se han reportado diversas investigaciones (Gericke, 
Fardim, and Heinze 2012; Lindman, Karlström, and Stigsson 2010; Freire et al. 
2011) orientadas a evaluar la capacidad y eficiencia de disolución de celulosa en 
diferentes líquidos iónicos. Precisamente, los mecanismos de disolución de 
celulosa en líquidos iónicos involucran a interacción de los átomos de oxígeno e 
hidrógeno disponibles en los radicales –OH de la celulosa con el líquido iónico. 
Dicha interacción se proporciona a través de un complejo ―receptor de 
electrones/donante de electrones‖. En este caso, los átomos de oxígeno de la 
celulosa actúan como donantes de electrones mientras que los átomos de 
hidrógeno actúan como receptores. Análogamente, el catión en el líquido iónico 
ejerce funciones como centro receptor de electrones mientras que el anión 
interviene como centro donante de electrones. Dichos centros (receptores y 
donantes de electrones) deben de estar lo suficientemente cerca entre ellos para 
permitir las interacciones con los complejos de electrones formados por la 
celulosa. Una vez se da la mezcla líquido iónico/celulosa, los átomos de oxígeno e 
hidrógeno de los grupos –OH de la macromolécula son separados provocando la 
apertura de los puentes de hidrógeno existentes en las moléculas del polímero y, 
finalmente se da lugar la disolución de la celulosa (Feng & Chen, 2008). 
La capacidad de un líquido iónico para disolver celulosa reside básicamente en 
sus características polares; es decir, electronegatividad, tamaño de los grupos 
funcionales del catión, tamaño del anión y la capacidad de formación de puentes 
de hidrógeno. Esto ha llevado a definir ciertas reglas para definir la eficiencia de 
un líquido iónico para disolver la celulosa. Primero, el anión debe ser un buen 
receptor de puentes de hidrógeno; segundo, el catión debe donar moderadamente 
puentes de hidrógeno. Esto se debe a que la actividad de formación de puentes de 
hidrógeno con los átomos de oxígeno debe ocurrir durante la hidrolisis de la 
celulosa. Finalmente, el catión no debe tener un tamaño molecular considerable ya 
que su capacidad para formar puentes de hidrógeno con la celulosa se puede ver 
comprometida (Holm and Lassi 2009; Mäki-Arvela et al. 2010). De otro lado, no se 
puede perder de vista que la disolución de la celulosa depende también de su 
grado de polimerización y cristalinidad. De la misma forma, las condiciones de 
operación propias del proceso; tales como temperaturas, medio de calentamiento, 
tiempo de reacción, concentración inicial del polímero y porcentaje de impurezas, 
juegan un papel muy importante (Holm & Lassi, 2009). El proceso de obtención de 
celulosa empleando líquidos iónicos se explicara en detalle en la sección 1.6. 
Para que un líquido iónico pueda ser incorporado en el proceso de producción de 
fibras de celulosa, es necesario que cumpla con varios requisitos como: bajo punto 
de fusión para evitar la descomposición de la celulosa, alta estabilidad durante el 
proceso y almacenamiento, fácil recuperación, baja toxicidad y costo relativamente 
bajo. Adicionalmente, es necesario considerar factores asociados a las estructuras 
químicas de los líquidos iónicos tales como grupos funcionales en el catión, 
tamaño del anión y la basicidad de puentes de hidrógeno. Atendiendo a estos 
aspectos, se han identificado cerca de 40 líquidos iónicos los cuales presentan 
gran capacidad para disolver celulosa. En la tabla 1.6 se presentan algunos de 
estos cationes, aniones y sus correspondientes líquidos iónicos. Información más 
completa puede consultarse en Mäki-Arvela et al. 2010. 
Tabla 1.6 Principales líquidos iónicos con mayor potencial para disolver celulosa 
Mäki-Arvela et al. 2010 
 
 
 
 
 
1.5.4.3 Solventes reversibles o intercambiables (Rev´s) 
Los solventes reversibles son definidos como sustancias líquidas que permiten 
cambiar abruptamente sus propiedades fisicoquímicas. Esta particularidad es 
consecuencia de una reacción química reversible generalmente desencadena por 
un estímulo externo. Dicho estimulo es generalmente un cambio en la temperatura 
o la adición o remoción de un gas. Por lo tanto, debido a la reversibilidad de la 
reacción química el solvente ―alterado‖ puede fácilmente regresar a su estado 
original (Pollet, Eckert, & Liotta, 2011). 
Una ventaja significativa de los solventes reversibles o intercambiables, sobre los 
solventes convencionales, radica en que pueden ser diseñados para un proceso 
particular ya que sus propiedades son ajustables a las necesidades requeridas. 
Los gases expandidos en líquidos (Gass Expanded Liquid´s - GXLs) como el CO2 
y el N2, se han presentado como una alternativa novedosa como medios de 
reacción. Los sistemas GXLs requieren la presencia de un componente líquido 
para disolución volumétrica tales como alcoholes y aminas. Sin embargo, no todos 
los líquidos se comportan de la misma manera que el CO2 y es por este motivo 
que se han clasificado en 3 clases: 
 Solventes clase I. Agrupa los líquidos que no disuelven significativamente 
CO2 y por lo tanto no se expanden apreciablemente. Ejemplo: agua. 
 Solventes clase II. Líquidos que disuelven grandes cantidades de CO2 y se 
expande significativamente. Ejemplo: hexano y acetonitrilo. 
 Solventes clase III. Grupo conformado por polímeros, líquidos iónicos, aceite 
crudo; entre otros. Sus características fisicoquímicas se encuentran en un 
punto intermedio entre los de la clase I y la clase II (Kerton, 2009). 
Uno de los sistemas reversibles de mayor interés son aquellos concebidos por 
líquidos iónicos formados por una amina líquida y sales de carbamato. Estos 
sistemas facilitan el retorno a líquidos neutros a través del burbujeo con gases 
como el N2, o el Ar o por simple calentamiento. (Olivier-Bourbigou, Magna, & 
Morvan, 2010). Los líquidos iónicos reversibles (RevIL) se presentan como una 
alternativa muy atractiva debido a que son sistemas que exhiben propiedades 
iónicas o no iónicas dependiendo del estímulo aplicado. Este tipo de sistemas se 
han clasifica atendiendo a los componentes presentes, siendo los más comunes 
los de uno y dos componentes. 
1.5.4.3.1 Líquidos Iónicos reversibles de 2 componentes 
Estos sistemas se encuentran conformados por mezclas equimolares de un 
alcohol neutro y una molécula nitrogenada neutra (amida o amina) que contiene al 
menos funcionalidad 1. Dentro de los ejemplos más representativos de estetipo 
de sistemas se encuentran el 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU) (figura 1-
7) y 2-butil-1,1,3,3-tetramethylguanidine (TMBG) (figura 1-8). Cuando una mezcla 
conformada por un alcohol y una amina como las anteriores se ponen en contacto 
con CO2 el alcohol forma un ácido carbónico alquílico el cual, consecuentemente, 
le transfiere un protón a la molécula de nitrógeno formando un medio iónico. El 
proceso es fácilmente reversible al alcohol y la amina original por simple 
calentamiento o por el burbujeo de un gas inerte. No obstante, es importante 
enfatizar que pueden presentarse dificultades para sostener mezclas equimolares 
de amidas y alcoholes de bajo punto de ebullición. Adicionalmente, los sistemas 
que involucran líquidos iónicos reversibles pueden facilitar la separación de los 
productos de reacción con mayor facilidad (Pollet et al., 2011). 
 
 
 
 
Figura 1-7 Sistema de líquidos iónicos reversibles de dos componentes: reacción 
del DBU y alcohol en presencia de CO2 para formar el [DBUH]+[RCO3]-. R = C1 – 
C12. 
 Fuente: adaptado de Pollet, Eckert, and Liotta 2011. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1-8 Sistema de líquidos iónicos reversibles de dos componentes: reacción 
del TMBG y alcohol en presencia de CO2 para formar el [TMBGH]+[RCO3]-. 
R = C1 – C12. 
Fuente: adaptado de Pollet, Eckert, and Liotta 2011. 
 
En la actualidad son muy escasos los reportes científicos orientados a la obtención 
de celulosa empleando sistemas de solventes reversibles de uno o dos 
componentes. Sin embargo, son destacables las investigaciones realizadas por 
Anugwom, et al (Anugwom et al., 2012) y Abdulwahab (Abdulwahab, 2013). 
Ambos autores han adelantado trabajos experimentales a escala de laboratorio 
permitiendo conocer rendimientos y eficiencias. 
1.5.4.3.2 Líquidos Iónicos reversibles de 1 componente 
En contraste a los sistemas de dos componentes, los líquidos iónicos reversibles 
de un componte eliminan la necesidad de emplear un alcohol y solamente 
requieren la presencia de una molécula nitrogenada con funcionalidad 1. Un 
ejemplo de RevIL de 1 componente son el trialkosi o el trialkil-sililpropil amina, los 
cuales en presencia de CO2 forman el correspondiente anión carbamato y el 
catión amonio. En la figura 1-9 se presentan las reacciones químicas para 
+ ROH ↔ RCO3
(+)CO2
(-)CO2
++ +-
 
+ ROH ↔ 
(-)CO
2
 
(+)CO
2
 
RCO
3
 
+ - 
+ + 
sistemas de líquidos iónicos reversibles de 1 y 2 componentes (RevIL) (Pollet et 
al., 2011). 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1-9 Sistema de líquidos iónicos reversibles de un componente: reacción de 
líquido molecular para formar en presencia de CO2 sus correspondientes líquidos 
iónicos trialkoxy y trialkyl-silylpropil amina. R = grupo alkyl o alkoxy. 
Fuente: adaptado de Pollet, Eckert, and Liotta 2011. 
 
1.5.5 Sistemas órgano-acuosos intercambiables (OATS) 
Son soluciones homogéneas de agua con solventes polares orgánicos apróticos 
como el acetonitrilo (ACN), el tetrahidrofurano (THF) y el 1,4-dioxano (Diox), los 
cuales al ser sometidos al contacto con CO2 permiten un cambio de fase 
inmediato. El resultado, es un sistema bifásico consistente de una fase acuosa y 
una fase orgánica De esta manera, es posible ensamblar reacciones homogéneas 
caracterizadas por altas velocidades de reacción y selectividades manteniendo la 
facilidad de separación de productos y recuperación del catalizador de los 
sistemas heterogéneos (Fadhel et al., 2011). A pesar del potencial para la 
disolución de celulosa, no se cuenta con evidencia experimental acerca del uso de 
este tipo de sistemas en dichos procesos de disolución. 
 
1.6 Procesos de disolución de celulosa 
El pulpeo de celulosa es el proceso por medio del cual es posible obtener masas 
fibrosas o pulpas a partir de maderas o materiales lignocelulósicos. Esto se logra 
generalmente por medio de diversos procesos de reducción o desfibrado del 
material original. Dichos procesos pueden ser llevados a cabo de forma mecánica, 
química o por combinaciones de ambas. Consecuentemente, las pulpas 
producidas en cada uno de estos procesos tienen diferentes aplicaciones y son 
 
+ ROH ↔ 
(-)CO
2
 
(+)CO
2
 
destinadas para la fabricación de productos con especificaciones únicas. En 
términos generales, las pulpas de celulosa son producidas principalmente por 
medio de procesos químicos de delignificación. En este caso, la lignina es degrada 
y disuelta a través de reacciones químicas con temperaturas entre 130° y 170°C. 
Sin embargo, si la lignina es removida en un 90% o más las fibras pueden ser 
separadas sin necesidad de procedimientos posteriores de desfibrado mecánico. 
Desafortunadamente, la delignificación no es un proceso selectivo y se da lugar a 
una remoción significativa de celulosa y hemicelulosa. Como resultado el 
rendimiento global del proceso de obtención de pulpa puede reducirse a un 45 - 
55% (dependiendo de la fuente de la madera y el proceso de pulpeo específico) 
(Sixta, Potthast, & Krotschek, 2006). Tradicionalmente, se han empelado diversos 
métodos para la obtención de celulosa. A continuación, se explican los principales 
procesos químicos y mecánicos para la obtención tanto de pulpa de celulosa. 
 
1.6.1 Procesos químicos convencionales 
1.6.1.1 Proceso soda 
Históricamente, el proceso soda fue el primer método conocido para el tratamiento 
y obtención de pulpa de celulosa. A pesar de ser usado actualmente, este proceso 
nunca alcanzó la preponderancia de otros procesos como el sulfito o el proceso 
kraft. 
El proceso de cocción se realiza en un digestor de acero inoxidable donde se pone 
en contacto la biomasa con una solución de NaOH. La concentración de hidróxido 
de sodio varía en función del tipo de material vegetal a tratar. Debido a que el 
proceso es sensible a la oxidación de la celulosa, el reactor debe permanecer libre 
de oxígeno y solamente debe entrar en contacto con los vapores de NaOH. Dos 
horas después de iniciado el proceso de calentamiento, se deben mantener 
presiones en el digestor que fluctúan entre 80 -120 psig por aproximadamente 4 a 
6 horas. Al finalizar la digestión, la pulpa es lavada y el licor concentrado en 
hidróxido de sodio es recuperado en la mayor concentración posible (Ott et al., 
1954). 
1.6.1.2 Proceso sulfito 
En el proceso sulfito el material vegetal se somete a cocción en presencia de una 
solución ácida, generalmente de dióxido de sulfuro y un álcali o compuesto 
alcalinotérreo. La dolomita es el alcalinotérreo de mayor uso debido a su bajo 
costo. La primera etapa del proceso sulfito consiste en la digestión de la biomasa 
con una solución de álcali y dióxido de sulfuro a 110°C por 4 horas. Esta etapa se 
conoce como de penetración porque es allí en donde se alcanzan las condiciones 
fisicoquímicas necesarias para permitir el contacto entre el material vegetal y los 
grupos ácidos presentes en la solución. Posteriormente, las condiciones del 
proceso se ajustan aproximadamente a 145°C y 80psig por un tiempo aproximado 
de 3 horas. Transcurridas las 7 horas del proceso, la presión del reactor se 
disminuye hasta 30psig, y se prolonga la digestión 1.5 horas. Finalmente, se retira 
la pulpa de celulosa y recuperan los lixiviados de ácidos y álcalis. La pulpa 
obtenida al final del proceso adquiere un color grisáceo con un rendimiento en 
base seca del 46-48% (Ott et al., 1954). 
1.6.1.3 Proceso kraft 
El proceso kraft requiere un licor de cocción o licor blanco que se obtiene 
formando una solución acuosa de hidróxido de sodio y sulfuro de sodio. Los iones 
de hidro-sulfuro presentes, juegan un papel importante la aceleración de los 
procesos de delignificación no selectiva. En general, el proceso kraft puede ser 
dividido en tres etapas. En la primera etapa, la delignificación es originada por la 
fisura de los puentes α-aril y β-aril éter presentes en las unidades fenólicas de la 
lignina la cual